Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Газовые вагранки и энергосберегающие процессы плавки в них чугуна: Учебное пособие

Голосов: 1

Изложены основы плавки чугуна на газообразном топливе - природном газе. Приводятся рациональные конструкции газовых вагранок для плавки чугуна, эффективные горелочные системы применительно к газовым вагранкам, рациональные конструкции рекуператоров для газовых вагранок, тепловые и металлургические процессы в газовых вагранках, эффективные технологии плавки чугуна применительно к использованию газовых вагранок в промышленности. Разработки выполнены с применением математического моделирования по результатам экспериментов. Учебное пособие подготовлено на кафедре "Машины и технология литейного производства" Пензенского государственного университета. Оно может быть использовано студентами при изучении курсов "Принципы инженерного творчества", "Печи литейных цехов", "Литейные сплавы и плавка", "Математическое моделирование в литейном производстве", а также при выполнении курсовых и дипломных работ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                                      N
                                                 ∑ x1r ,u ⋅ x2r ,u ⋅ yu
                                                 u =1
                                    b1r ,2 r =    N
                                                                             ;
                                                 ∑ ( x1r ,u ⋅ x2r ,u )   2

                                                 u =1


где
                          x1n,u = xn1,u+v1; x1r,u=xr1,u+a1⋅xn1,u+c1;
                          x2n,u = xn2,u+v2; x2r,u=xr2,u+a2⋅xn2,u+c2;
        N – количество опытов в соответствующем уравнению регрессии плане
проведения экспериментов, т.е. N = 9 при планировании 32.
        Выполняется расчет тех коэффициентов регрессии, которые входят в
рассматриваемое уравнение регрессии.
        Если числитель (делимое) каждой из формул для расчета
коэффициентов регрессии заменить величиной дисперсии опытов s2{y}, а
знаменатель (делитель) оставить прежним, то получаются формулы для
расчета дисперсий в определении соответствующих коэффициентов
регрессии s2{b'0}, s2{b1n}, s2{b2n}, s2{b1n,2n}, s2{b1r}, s2{b2r}, s2{b1n,2r}, s2{b2n,1r},
s2{b1r,2r}.
        Сначала следует принимать n = 1, r = 2 и при этих числах показателей
степени факторов производить расчет коэффициентов регрессии, дисперсий
в их определении, выявлять статистически значимые коэффициенты
регрессии. Математическая модель процесса получается после подстановки в
уравнение регрессии статистически значимых и не равных нулю
коэффициентов регрессии. Если при проверке выясняется, что
математическая модель не обеспечивает требуемой точности, то следует
изменить величины показателей степени факторов и основа выполнять
расчеты, пока не будет достигнута требуемая точность.
        Были выявлены математические модели процессов плавки металла на
газообразном      топливе.       На     основе        результатов     моделирования
оптимизированы процессы в газовых вагранках, разработаны на уровне
изобретений новые конструкции чугуноплавильных агрегатов, экологически
чистые, экономичные процессы.
        Моделирование производилось по компьютерной программе VN9,
разработанной на языке Бейсик.
        При разработке газовых вагранок, рекуператоров, горелочных систем,
способов плавки материалов на газообразном топливе применялось
моделирование на основе теории подобия, теории размеренностей,
выполнялись исследования в лабораторных и производственных условиях,
систематизировались и анализировались результаты исследований,
выявлялись математические модели на ЭВМ по программам, разработанным
на языках Бейсик, ПЛ/1, Турбо Паскаль. Наиболее совершенные программы
математического моделирования, расчетов по математическим моделям и
графических построений собраны в пакет программ математического
моделирования на языке Бейсик (программы VL0, VN0, VN4, VN5,

                                             31


VN6,VN7, VN8, VN9, WN3, WN4, WN5, WN6, WN7, WN8, WN9). Пакет
программ зарегистрирован в «Национальном информационном фонде
неопубликованных документов», свидетельство об отраслевой регистрации
разработки № 6894, номер государственной регистрации 50200601653.

             НОВЫЙ СПОСОБ ПЛАВКИ В ГАЗОВОЙ ВАГРАНКЕ

       Предлагаемый способ может быть применен для получения расплава
из материалов при производстве литых изделий.
       Известен способ плавки в газовой вагранке, содержащей шахту с
встроенными газовыми горелками и водоохлаждаемые балки, на которые
загружается огнеупорная насадка, состоящая из тугоплавких и термостойких
материалов (Авторское свидетельство СССР № 1610209, кл. F 27В 1/08, Б.И.
№44, 1990 г.).
       Недостатком известного способа является то, что при плавке
неметаллических материалов на водоохлаждаемых балках вагранки
происходит частичное затвердевание расплава, в связи с чем уменьшаются
свободные проходы для горячих газов и жидких материалов, снижается
производительность и       термический коэффициент полезного действия
плавильного агрегата, горячие газы неравномерно распределяются в шахте.
       Из известных наиболее близким по технической сущности является
способ плавки в газовой вагранке, содержащей шахту с расположенными в ее
нижней части радиально, равномерно по периметру горелками                с
вертикальными газовыми каналами, подину, насадку - огнеупорную колошу
(Авторское свидетельство СССР № 941823, кл. F 27B 1/08, Б.И. № 25, 1982
г.). В газовой вагранке можно плавить неметаллические материалы на
огнеупорной     холостой     колоше,     создаваемой    из  боя   (кусков)
высокогдиноземистых, шамотных, углеродсодержащих огнеупорных
изделий. Но в связи с тем, что куски материалов холостой колоши сплошные,
то проходы для горячих газов и расплава небольшие, они постепенно в
течение плавки уменьшаются (на огнеупорах частично затвердевает расплав),
увеличивается      сопротивление       движению      газов,   уменьшается
производительность и термический коэффициент полезного действия
плавильного агрегата, горячие газы начинают преимущественно
перемещаться у стенок шахты, в связи с чем увеличиваются тепловые потери
и износ футеровки шахты.
       Техническим результатом предлагаемого способа является
увеличение равномерности распределения горячих газов и перегреваемого
расплава в холостой огнеупорной колоше газовой вагранки, улучшение
теплопередачи от горячих газов расплаву, увеличение производительности и
термического коэффициента полезного действия плавильного агрегата,
снижение энергоемкости процесса плавки.
       Сущность предлагаемого способа заключается в том, что производят
разогрев футеровки шахты газовой вагранки, загрузку холостой огнеупорной
колоши, разогрев ее продуктами сгорания топлива, загрузку, нагрев и
                                    32


расплавление шихты, но в отличие от известного способа холостую
огнеупорную колошу создают путем загрузки в шахту огнеупоров с
отверстиями, суммарная площадь входных и выходных сечений которых в
загруженной холостой колоше равна 0,1-0,6 площади свободного
поперечного сечения вагранки в зоне плавления шихты, причем огнеупоры с
отверстиями загружают так, чтобы объем пустот для прохождения горячих
газов и расплава был бы равен 0,15-0,7 объема шахты, заполняемой холостой
огнеупорной колошей, а при работе газовой вагранки горячие продукты
сгорания топлива и расплав пропускают преимущественно через отверстия
огнеупоров холостой колоши.
        Такое сочетание новых признаков с известными позволяет увеличить
равномерность распределения горячих газов и перегреваемого расплава в
холостой огнеупорной колоше газовой вагранки, улучшить теплопередачу от
горячих газов расплаву, увеличить производительность и термический
коэффициент полезного действия плавильного агрегата, уменьшить тепловые
потери и износ футеровки, снизить энергоемкость плавки.
        Предлагаемый способ плавки можно осуществлять в газовых
вагранках с холостой огнеупорной колошей. Плавить можно
неметаллические материалы (камни, бой огнеупоров, стекло) и получать
расплав с требуемой температурой для производства применяемых в
строительстве изделии. Этот способ можно применять и при плавке
металлической шихты, но наибольшая эффективность достигается при
получении из расплава минеральной ваты. Газовые вагранки могут работать
с использованием предложенного способа на газообразном, жидком,
смешанном топливе. Для загрузки в шахту газовой вагранки в период
создания холостой огнеупорной колоши рационально использовать
высокоогнеупорные изделия в виде перфорированных кирпичей со
сквозными отверстиями, имеющими в поперечных сечениях круглую,
эллиптическую, овальную, квадратную, прямоугольную, треугольную форму,
форму сечения в виде трапеций, параллелограммов, многоугольников,
секторов, сегментов, полукругов, комбинаций этих геометрических фигур
или выполненных в виде рам со сквозными окнами (отверстиями).
Огнеупорные изделия могут быть выполнены в виде призм, цилиндров,
усеченных конусов, шаровых поясов, шаров, бочек, эллипсоидов. Во всех
случаях огнеупорные изделия должны иметь сквозные отверстия, которые
должны быть размещены так, чтобы достигалась требуемая прочность
изделий и необходимая суммарная площадь входных и выходных сечений
отверстий. Материал изделий должен иметь огнеупорность на 50-400
градусов выше достигаемой в печи максимальной температуры. Огнеупоры
должны выдерживать 10-40 теплосмен, сохранять прочность при высокой
температуре, не размягчаться, не разрушаться при работе печи, быть
шлакоустойчивыми, не разрушаться при перемещении по ним расплава. При
плавке неметаллических материалов, содержащих преимущественно оксиды
кремния, кальция, магния, железа, при основности расплава 0,8-1


                                   33


рационально применять высокоглиноземистые изделия, содержащие 60-95 %
оксида алюминия.
        Предлагаемый способ плавки осуществляется следующим образом.
        Производят розжиг горелок газовой вагранки, производят разогрев
футеровки шихты, загрузку холостой огнеупорной колоши, разогрев ее
продуктами сгорания топлива. Холостую огнеупорную колошу создают,
загружая в шахту огнеупоры с отверстиями, суммарная площадь входных и
выходных сечений которых в загруженной холостой колоше равна 0,1-0,6
площади свободного поперечного сечения вагранки в зоне плавления шихты.
Огнеупоры с отверстиями загружают так, чтобы объем               пустот для
прохождения горячих газов и расплава был бы равен 0,15-0,7 объема шахты,
заполняемой холостой огнеупорной колошей.
        На разогретую холостую огнеупорную колошу загружают шихту,
доводят путем регулирования расходы топлива и окислителя до требуемых,
нагревают и плавят горячими продуктами сгорания шихту. Продукты
сгорания перемещаются преимущественно по отверстиям в огнеупорах и
частично между огнеупорами холостой колоши, нагревают стенки
огнеупоров, а навстречу движущимся горячим газам поступает из зоны
плавления расплав, который перегревается, стекает на подину, выходит из
вагранки и отбирается для получения литых изделий.
        Благодаря наличию в огнеупорах холостой колоши отверстий и
неплотной их упаковке горячие газы распределяются в холостой колоше
более равномерно, огнеупоры больше отбирают теплоты от горячих газов, в
связи с чем повышается температура расплава, производительность и
термический коэффициент полезного действия вагранки.
        При суммарной площади входных и выходных сечений отверстий S в
огнеупорах холостой колоши меньше 0,1 площади свободного поперечного
сечения вагранки S1 в зоне плавления шихты не достигается равномерность
распределения горячих газов в холостой колоше, экономичность процесса
резко снижается. При S>0,6· S1 резко снижается прочность огнеупоров в
холостой колоше и нарушается процесс плавки. Оптимальность достигается
при 0,1· S1 ≤ S ≤0,6 · S1.
        Огнеупоры с отверстиями надо загружать так, чтобы объем пустот V
для прохождения горячих газов и расплава был бы 0,15·V1≤ V ≤ 0,7· V1, где
V1 – объем шахты, заполняемый холостой огнеупорной колошей.
        При V < 0,15·V1 в связи с плотной упаковкой огнеупоров в холостой
колоше перекрывается часть отверстий в огнеупорах, резко повышается
сопротивление движению горячих газов в холостой колоше, резко снижается
производительность плавильного агрегата. При V > 0,7·V1 резко снижается
скорость движения горячих газов в холостой огнеупорной колоше,
нарушается процесс теплопередачи от горячих газов расплаву, снижается
температура расплава. При 0,1· S1 ≤ S ≤0,6 · S1, 0,15·V1≤ V ≤0,7· V1 горячие
продукты сгорания топлива и расплав проходят преимущественно через
отверстия огнеупоров, происходит интенсивная теплопередача, достигается
экономичность процесса, энергоемкость плавки минимальная.
                                     34


       Пример осуществления способа.
       В экспериментальной газовой вагранке, предназначенной для плавки
чугуна, создавали холостую огнеупорную колошу из высокоглиноземистых
кирпичей, в которых были выполнены отверстия в таком количестве и так,
чтобы 0,1· S1 ≤ S ≤0,6 · S1. Огнеупоры с отверстиями загружали так, чтобы
0,15·V1≤ V ≤0,7·V1. Плавили в газовой вагранке битый строительный кирпич
при сжигании природного газа в смеси с горячим воздухом и получаемой
температуре продуктов сгорания в холостой колоше 1650 - 1700°С.
Температура расплава на выходе из печи была 1350-1420°С. Из расплава в
формах получали пористые изделия (путем продувки газом) для
теплоизоляции строительных конструкций. Количество плавок определялось,
исходя из необходимости выявления оптимальности параметров. Для
сравнения плавили в этой вагранке ту же шихту при использовании в
огнеупорной колоше сплошных огнеупоров, то есть применяли известный
способ. Проводился анализ материальных и тепловых балансов. Были
достигнуты равномерность распределения горячих газов и расплава в
огнеупорной колоше, повышение термического коэффициента полезного
действия в 1,3-2 раза, увеличение производительности в 1,5-1,8 раза, по
сравнению с применением известного способа (когда загружались в
холостую колошу неперфорированные огнеупоры). Износ футеровки был
незначительный,       тепловые потери были небольшие. На плавки
расходовалось в 1,1 -1,3 раза меньше природного газа. Было установлено, что
при длительных непрерывных плавках экономичность процесса возрастает и
она может достигать максимальной величины, если предложенный способ
используется в оборудовании (газовой вагранке) минераловатного
производства.
       Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может
быть осуществлен с помощью известных в технике средств, его можно
применять не только для плавки материалов (неметаллических,
металлических), но и при нагреве и обжиге керамических изделий, при
обжиге известняка, руд, при сжигании бытовых отходов и плавке
содержащихся в них негорючих веществ.
       При применении предлагаемого способа расход огнеупоров на
холостую колошу по массе уменьшается в 1,3-2 раза по сравнению с
применением сплошных огнеупоров в известном способе, снижается
трудоемкость выбивки холостой колоши в конце плавки. При меньшей массе
меньше стоимость материалов, расходуемых на изготовление изделий для
холостой     колоши.      Предлагаемый    способ     позволяет    повысить
производительность, термический коэффициент полезного действия
плавильного агрегата, достигать экономичности процесса плавки.




                                    35


                               ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      1. На основе исследований выявлены рациональные конструкции
газовых вагранок для плавки чугуна.
      Процесс плавки чугуна основывается на применении шахтной
плавильной печи (вагранки) с использованием в качестве технологического
топлива вместо кокса экологически чистого природного газа.
      В газовой вагранке можно получать чугун требуемого химического
состава без удорожания шихты, с механическими свойствами,
удовлетворяющими любой марке серого чугуна. В газовой вагранке
значительно облегчается получение высокопрочного чугуна с шаровидным
графитом. Технологический процесс плавки чугуна в газовой вагранке
отличается минимальными затратами по сравнению с другими процессами
плавки, экономным энергохозяйством, минимальными вредными выбросами
(SO2, CO и пыли), гибкостью и возможностью работы с получением
требуемого для литейного производства количества металла, причем
требования по качеству всегда могут быть учтены.
      2. Выявлены закономерности процессов в горящих факелах и при
взаимодействии факелов, что позволило разработать эффективные
горелочные системы для газовых вагранок.
      3. Разработаны эффективные экономичные рекуператоры для
газовых вагранок и воздухоподогреватели. Способ работы этих
теплообменников основан на приближении горячих газов и воздушных
потоков к тепловоспринимающим стенкам, на многоструйном распределении
воздушных потоков. Теплообменники долговечны, имеют строительную
прочность, высокий КПД, позволяют нагревать воздух до 5000С.
      При использовании горячего воздушного дутья повышается на 15-20%
производительность газовых вагранок, уменьшается путь сгорания горючих
веществ в факелах и в холостой огнеупорной колоше, повышается
температура получаемого жидкого металла, снижаются потери металла в
связи с окислением при плавке.
      4. Плавка чугуна на газообразном топливе решает проблему
улучшения экологических условий в чугунолитейных цехах. Разработаны
способы плавки в чугуноплавильных агрегатах, позволяющие уменьшить
расход топлива на 15-20%; повысить термический коэффициент полезного
действия печей на 18-25%, снизить потери металла в связи с окислением на
10-14%. Основой этих способов плавки является применение горячего
воздушного дутья с регулированием в зависимости от температуры воздуха
величины коэффициента расхода воздуха и температуры газообразного
топлива, подаваемого на сжигание, с учетом состава шихты. Выявлены
математические модели, позволяющие управлять процессом плавки чугуна в
газовых вагранках с достижением эффективности способов.
      5. Исследованы тепловые процессы в газовых вагранках.
      В газовых вагранках созданы оптимальные условия для теплообмена
между горячими продуктами сгорания газообразного топлива и
                                   36


расплавляемым металлом. На основе исследований подобран рациональный
состав холостой огнеупорной колоши. Нагрев металла в противотоке горячих
газов и перегрев расплава при стекании по нагретым до 16500С кускам
огнеупорных материалов позволяют получать жидкий чугун с температурой
до 15000С при термическом коэффициенте полезного действия
чугуноплавильного агрегата до 50%. Разработана рекуперация тепла
отходящего ваграночного газа на основе новых, эффективных
многоструйных рекуператоров. Достигнута экономия топлива при плавке
чугуна.
      6. Выявлены особенности металлургического процесса при плавке
чугуна на газообразном топливе – природном газе. Установлено, что
рационально сжигать природный газ в газовых вагранках в горячих
воздушных потоках при коэффициенте расхода воздуха, величина которого
меньше единицы, и оптимум которой зависит от температуры в печи.
Оптимальные температурные условия в печи и состав горячих газов с
наличием в продуктах сгорания водорода и сажистого углерода приводят не
только к улучшению теплопередачи, к повышению КПД печи, но и
уменьшению потерь металла в связи с окислением, снижению угара
углерода, кремния, марганца, железа в чугуне в 2-2,5 раза по сравнению с
обычными условиями плавки металла на газообразном топливе, достигается
значительный экономический эффект.
      7. Разработаны рациональные составы шихты для плавки в газовых
вагранках. Выявлено, что в газовых вагранках рационально плавить
чугунный лом (до 50%), передельный чугун (до 40%), стальной лом (до 10%).
В этом случае достигаются экономичность процесса плавки, высокий КПД
плавильного агрегата, минимальный угар полезных элементов в металле.
      8. Разработаны      эффективные     технологии     плавки    чугуна
применительно к использованию газовых вагранок в промышленности.
Применение новых технологических процессов плавки чугуна на
газообразном топливе в промышленности позволяет улучшить качестве
отливок, повысить механические свойства металла. разработаны
конструкции газовых вагранок производительностью до 20 тонн жидкого
чугуна в час и рациональные способы плавки металла в потоке горячих
продуктов сгорания природного газа. Выявлены математические модели,
позволяющие оптимизировать ваграночные процессы в зависимости от ряда
факторов, влияющих на показатели процесса. Экологически чистые процессы
плавки чугуна на газообразном топливе внедрены в производство.
      Результаты выполненной фундаментальной работы по газовой плавке
чугуна используются в учебном процессе.




                                   37


                            ЛИТЕРАТУРА

1.   В.А. Грачев, А.А. Черный. Применение природного газа в вагранках. –
     Саратов: Приволж. кн. изд., 1967. – 172 с.
2.   В.А. Грачев, А.А. Черный. Современные методы плавки чугуна.            -
     Саратов: Приволж. кн. изд., 1973. – 342 с.
3.   Черный А.А. Особенности сжигания природного газа в газовых
     вагранках // Литейное производство. – 1996. - № 5.
4.   Черный А.А. Планирование экспериментов и математическое
     моделирование процессов / А.А. Черный. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-
     та, 1977. – 80 с.
5.   Черный А.А. Практика планирования экспериментов и математического
     моделирования процессов / А.А. Черный. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-
     та, 1984. – 103 с.
6.   Черный А.А. Математическое моделирование применительно к
     литейному производству: учеб. пособие / А.А. Черный. – Пенза: Изд-во
     Пенз. гос. ун-та, 1998. – 121 с.
7.   Моделирование сложных процессов по результатам экспериментов:
     метод. указ. / Сост. А.А. Черный. – Пенза: Пенз. политехн. ин-т, 1990. –
     37 с.
8.   Задания по математическому моделированию в литейном производстве:
     метод указ. / Сост. А.А. Черный. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005.
     – 27 с.




                                     38


                       СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………….............. 3
ГАЗОВЫЕ ВАГРАНИ ДЛЯ ПЛАВКИ ЧУГУНА ………………………… 4

ГОРЕЛОЧНЫЕ СИСТЕМЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К
ГАЗОВЫМ ВАГРАНКАМ …………………………………………………. 10

РЕКУПЕРАТОРЫ ДЛЯ ГАЗОВЫХ ВАГРАНОК ………………………… 13

СПОСОБЫ ПЛАВКИ ЧУГУНА НА ГАЗООБРАЗНОМ
ТОПЛИВЕ …………………………………………………………………… 16

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗОВЫХ ВАГРАНКАХ ………………… 18
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПЛАВКЕ ЧУГУНА
НА ГАЗООБРАЗНОМ ТОПЛИВЕ …………………………………… ….. 22

РАЦИОНАЛЬНЫЕ СОСТАВЫ ШИХТЫ ДЛЯ ПЛАВКИ
В ГАЗОВЫХ ВАГРАНКАХ ………………………………………….. …. 25
ЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ ЧУГУНА
В ГАЗОВЫХ ВАГРАНКАХ………………………………………………. 26
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ,
ИСПОЛЬЗОВАННОЕ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИССЛЕДОВАНИЙ………. 28

НОВЫЙ СПОСОБ ПЛАВКИ В ГАЗОВОЙ ВАГРАНКЕ………….......... 32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………... 36
ЛИТЕРАТУРА ………………………………………………………………. 38




                            39


               Анатолий Алексеевич Черный


                ГАЗОВЫЕ ВАГРАНКИ
         И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ
              ПЛАВКИ В НИХ ЧУГУНА

                    Учебное пособие




________________________________________________________
          Пензенский государственный университет
                440026, Пенза, Красная, 40.


                           40



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика